DE2752439C3 - Verfahren zum Herstellen einer Silicium-Halbleiteranordnung durch Ionenimplantation - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Silicium-Halbleiteranordnung durch Ionenimplantation, bei dem in die Zonen der Silicium-Halbleiteranordnung zur Erzeugung einer N-Leitfähigkeit Arsen in hoher Dosis implantiert worden ist. Ein derartiges Verfahren ist aus der DD-PS 121223 bekannt

Es ist bekannt, da8 das Einschießen von leitfähigkeitsbestimmenden Dotierungsstoffen in Silicium durch Ionenimplantation Gitterversetzungen erzeugt Aus einem Artikel in Namba (Ed.), »Ion Implantation in Semiconductors«, Proceedings of the 4th International Conference on Ion Implantation, New York, Plenum Press, 1975, Seiten 571 bis 576, ist uekannt, daß in mit Phosphor in hoher Dosis implantiertem Silicium die Bildung von Gitterversetzungen verringert werden kann durch Doppeliimplantation von Phosphor und Germanium. Germanium (Atomradius 0,122 nm) wurde gewählt, um die durch Phosphor (0,110 nm) verursachte Fehlanpassung und daraus resultierende Spannung im Silicium-Kristallgitter (Atomradius 0,117 nm) zu kompensieren.

Aus der US-PS 39 28 082 ist auch bereits ein Verfahren zum Herstellen einer Silicium-Halbleiteranordnung durch Ionenimplantation bekannt, bei dem zur Erzeugung von N-Ieitfähigen Zonen Arsen implantiert wird. Dabei steht die Erzielung möglichst kleiner, für Hochfrequenzanwendungen geeigneter Strukturen unter Ausnutzung sog. selbstjustierender Maskierungstechniken im Vordergimnd. Aus der Zeitschrift »Physics Letters«, Vol. 51A, Februar 1975, Nr. 3, Seiten 165 bis 166, ist es ferner bekannt, Germanium in Silicium zu implantieren. In den genannten Druckschriften findet sich jedoch kein Hinweis darauf, daß es zur Verringerung von Gitterverseilzungen vorteilhaft sein könnte, auch in mit Arsen doilierte Siliciumzonen Germanium einzubringen. Offenbar war angenommen worden, daß es nicht sinnvoll sei, Germanium in arsendotiertes Silicium einzubringen, weil der Atomradius des Arsens dem des Siliciums sehr ähnlich ist und keine Anpassungsprobleme iiufwirft.

Schließlich betrifft die DD-PS I 21 223 ein Verfahren zum Herstellen einer Stilicium-Halbleiteranordnung mit μ selektiver Arsenimplantation hoher Dosis, bei dem die der Arsenimplantation nachfolgende Hochtemperaturbehandlung in oxidierender Atmosphäre begrenzt auf eine vor dem Entstehen von Emitterrandversetzungen beobachtete Verzögerungszeit durchgeführt wird, so daß diese Emitterrandversetzungen vermieden werden können. Bei derartigen Emitterrandversetzungen handelt es sich jedoch um eine gegenüber den oben genannten Gitterversetzungen völlig anders geartete Störung, nämlich die bei einer Oberflächenoxidation eines Siliciumsubstrats, in das zuvor oberflächennah Dotierungsatome eingebracht worden sind, beobachtete und absolut unerwünschte Anreicherung der Dotierungsatome an der Si/SiOrGrenzschicht Dieses Phänomen ist keineswegs spezifisch für Dotierungsverfahren mittels Ionenimplantation, sondern kann gleichermaßen auch bei Diffusionsdotiertmgen beobachtet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wirksame Maßnahmen zur Herabsetzung der mit Ionenimplantationsverfahren zusammenhängenden Störungsart infolge Gitterversetzungen für den Fall einer Arsen-Implantation hoher Dosis in Silicium anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren zum Herstellen einer Silicium-Halbleiteranordnung der eingangs genannten Art bei einer Arsendotierung der Zonen von mehr als 1% Arsen im Silicium in die Zonen zusätzlich Germanium implantiert wird Überraschenderweise wurde nämlich festgestellt, daß bei in hoher Dosis implantiertem Arsen Fehlstellen im Silicium auftreten, die die Wirkung von Halbleiteranordnungen besonders dann nachteilig beeinflussen, wenn diese eine hohe Packungsdichte aufweisen. Obwohl der Atomradius des Arsens dem des S'Jiciums sehr ähnlich ist, so daß der Unterschied bisher als absolut vernachlässigbar angesehen wurde, wurde festgestellt daß bei Arsendotierungen oberhalb ein Prozent im Substrat Gitterversetzungen durch einen Zusatz von Germanium im arsendotierten Silicium wesentlich reduziert werden.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird Germanium in einem solchen Maße implantiert daß die Germaniumdotierung in den Zonen etwa ein Zehntel der Arsendotierung beträgt, und die Zonen werden in einer epitaktischen Siliciumschicht hergestellt

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigen

F i g. 1 bis 4 schematische Querschnittsdarstellungen von Teilen einer Halbleiteranordnung in verschiedenen Herstellungsphasen;

F i g. 5 eine Elektronenmikrofotografie der Oberfläche einer nur mit Arsen dotierten Siliciumzone;

F i g. 5A eine Elektronenmikrofotografie der Oberfläche einer Siliciumzone, die mit Arsen und Germanium dotiert ist

Mit Bezug auf F i g. 1 bis 4 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, bei dem eine N-Zone, z. B. ein Emitter oder Subkollektor, in einem Bipolartransistor einer Halbleiteranordnung hergestellt wird. In F i g. 1 ist mit 10 ein Siliciumsubstrat vom P Leitfähigkeitstyp gezeigt, dessen spezifischer Widerstand im Bereich von 8,5 bis 20 Ω cm liegt Das Substrat wird durch eine Isolationsschicht 11 maskiert, die 100 bis 200 nm dick ist Die Schicht kann aus Siliciumdioxid bestehen, das auf bekannte Art mittels thermischer Oxidation hergestellt ist. Natürlich kommen andere Materialien wie Siliciumnitrid, Aluminiumoxid oder Siliciumoxinitrid in Frage, die durch Niederschlag aus der Dampfphase, im Kathodensprühverfahren oder auf andere bekannte Weise niedergeschlagen sein können.

In der Schicht U wird durch bekannte Fotomaskie-

rung und Ätzung eine öffnung 12 hergestellt In der öffnung 12 wird durch Einführung von Arsenionen ⁷⁵ As+ durch Ionenimplantation eine N-Ieitende Zone 13 erzeugt Der Ionenstrahl wird mit einer Dosierung von 2 χ 10'⁶ Ionen/cm² auf das Substrat gerichtet, wobei mit einer Energie von 80 lceV gearbeitet wird. Die Energie soll so groß sein, daß die Ionen bis in eine Tiefe von größenordnungsmäßig 0,1 μπι in das Substrat eindringen.

Gemäß Fig.2 werden dann auf dieselbe Art Germaniumionen ^MGe+ in die arsendotierte Zone 13 implantiert Die Dosierung beträgt 2 χ ΙΟ¹⁵ Ionen/cm² bei einer Energie von 75 keV.

Gemäß F i g. 3 wird darauf in der öffnung 12 eine 30 bis 50 nm dicke Siliciumdioxidschicht 14 durch Niederschlag aus der Dampfphase erzeugt

Im nächsten Schritt (Fig.4) wird die Anordnung während etwa einer Stunde bei größenordnungsmäßig 1000⁰C in einer Stickstoff atmosphäre getempert wodurch sich die N-Zone 13 in das Substrat ausdehnt

Wenn der Implantationsschritt mit Germaniumionen gemäß F i g. 2 weggelassen wird, weisen die arsendotierten Zonen 13, deren relativ hohe Arsenkonzentration größenordnungsmäßig etwa ein Prozent im Substrat beträgt, eine beträchtliche Anzahl von Gitterversetzungen auf. Wird jedoch, wie beschrieben, zusätzlich Germanium beigefügt, sind kaum noch Gitterversetzungen festzustellen. Der Vorteil der Germaniumbeifügung ist aus den Elektronenmikrofotografien in F i g. 5 und 5A ersichtlich, die durch die implantierten Oberflächen aufgenommen wurden. Die Vergleichsproben wurden dazu einer Ätzbehandlung der Rückseite, d. h. der der Implantation abgewandten Seite, unterzogen. Dazu

ίο wurde das Siliciumsubstrat mit einer Lösung von einem Teil Flußsäure und neun Teilen Salpetersäure so lange geätzt bis eine durchscheinende, etwa 200 bis 300 nm dicke Schicht im Betrieb der implantationsdotierten Zonen stehen blieb.

π Fig.5 zeigt eine Siliciumzone, die nur mit Arsen dotiert ist Es sind zahlreiche Gitterversetzungen zu erkennen. F i g. 5A zeigt dagegen eine Siliciumzone, die mit Arsen und Germanium implantiert ist Hier sind kaum noch Giiterversetzungen vorhanden.

In vorteilhafter Weiterbildung des beschriebenen Ausführungsbeispiels kann die N-leiteüde, mit Arsen und Germanium dotierte Zone gleichermaßen auch in einer auf ein Substrat aufgebrachten epitaktischen Schicht aus P-leitendem Silicium hergestellt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Silicium-Halbleiteranordnung durch Ionenimplantation, bei dem in die Zonen der Silicium-Halbleiteranordnung zur Erzeugung einer N-Leitfähigkeit Arsen in hoher Dosis implantiert worden ist,dadurchgekennzeichnet, daß bei einer Arsendotierung der Zonen von mehr als 1% Arsen im Silicium in die Zonen zusätzlich Germanium implantiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß Germanium in einem solchen Maße implantiert wird, daß die Germaniumdotierung in den Zonen etwa ein Zehntel der Arsendotierung beträgt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen in einer epitaktischen Siliciumschicht hergestellt werden.